基于fluidsim的薄板压力机控制系统仿真.docx
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基于fluidsim的薄板压力机控制系统仿真
陕西航空职业技术学院
毕业论文
毕业设计题目
基于FluidSIM的薄板压力机控制系统仿真
毕业设计任务书
机电工程系机电一体化技术专业
学生姓名学号7
一、毕业设计题目：
基于FluidSIM的薄板压力机控制系统仿真
二、毕业设计时间2013年10月8日至2013年12月20日
三、毕业设计地点：
陕西航空职业技术学院
四、毕业设计的内容要求：
1、Festo液压实验平台的介绍。
2、FluidSIM仿真软件的功能及特点。
3、液压控制回路的设计
4、电气控制回路的设计
5、毕业设计说明书包含实验平台介绍、软件功能与特点、液压控制回路的设计、电气控制回路的设计及基于FluidSIM软件的系统仿真实现等，字数不少于6000字。
4、设计格式按照要求完成。
指导教师2013年10月8日
摘要
随着科学技术的进步，液压传动与控制技术的应用领域正在不断拓展，几乎囊括了国民经济的各个部门，目前它已成为现代机械工程的基本要素和控制工程的关键技术之一。
本论文以Festo实验教学系统为基础，对电气液压实验台进行开发与设计，并应用FluidSIM仿真软件进行仿真。
主要内容包括：
（1）介绍了液压传动与控制系统的组成和实验教学系统中的液压及电气控制元件；
（2）针对不同工作机械的工况要求设计其液压控制和电气控制回路，并设定技术参数；
（3）利用FluidSIM仿真软件对所设计的液压控制和电气控制回路进行仿真，得到不同工况下的仿真结果；
（4）在电气液压实验台上搭建控制回路，进行模拟实验，得到实验结果，并通过讨论与分析给出了最终结论。
关键词：
液压传动与控制，FluidSIM仿真软件，电气控制
第1章液压传动与控制技术概论.......................................1
1.1液压传动与控制技术发展概况和特点...............................2
1.1.1............................................................3
1.1.2..............................................................4
1.2液压传动与控制系统的工作原理及其组成部分.......................5
1.2.1液压系统传动与控制系统的工作原理..............................6
1.2.2..............................................................7
1.3本课题的研究内容...............................................8
第2章液压传动与控制系统主要元件的介绍............................9
2.1Festo液压实验平台的介绍.......................................10
2.1.1Festo液压实验平台的结构特点..................................11
2.1.2基于Festo电气液压实验平台的介绍.............................12
2.2液压阀.........................................................13
2.2.1方向控制阀...................................................14
2.2.2压力控制阀...................................................15
2.2.3流量控制阀...................................................16
2.3传感器.........................................................17
2.4电磁铁.........................................................18
2.5压力机.........................................................19
2.6FluidSIM仿真软件的功能及特点...................................20
2.6.1FluidSIM仿真软件的功能介绍...................................21
2.6.2FluidSIM仿真软件的特点.......................................22
第3章薄板压力机电气液压控制系统的设计............................23
3.1工作对象.......................................................24
3.2实验目的.......................................................25
3.3薄板压力机电气液压控制系统的设计...............................26
3.3.1液压控制回路的设计...........................................27
3.3.2电气控制回路的设计...........................................28
第4章基于FluidSIM软件的薄板压力机电气液压控制系统的仿真.........29
4.1基于FluidSIM软件的系统仿真实现................................30
4.2仿真结果小结..................................................31
主体部分
第1章液压传动与控制技术概论
1.1液压传动与控制技术发展概况和特点
1.1.1液压传动技术的历史进展与趋势
液压传动是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795年英国约瑟夫•布拉曼（JosephBraman,1749-1814），在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。
1905年将工作介质水改为油,又进一步得到改善。
20世纪初康斯坦丁•尼斯克（G•Constantimsco）对能量波动传递所进行了理论及实际研究；1910年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。
第一次世界大战爆发后液压传动技术得到广泛应用，特别是1920年以后,发展更为迅速。
1925年维克斯（F.Vikers）发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。
第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快和精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服系统。
20世纪60年代以后，由于原子能、空间技术、大型船舰及计算机技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，液压技术相应也得到了很大发展，渗透到国民经济的各个领域中。
在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空、和机床工业中，液压技术得到普遍应用。
近年来液压技术已广泛应用于智能机器人、海洋开发、宇宙航行、地震预测及各种电液伺服系统，使液压技术的应用提高到一个崭新的高度。
目前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成等方向发展；同时，减小元件的重量和体积，提高元件寿命，研制新的传动介质以及液压传动系统的计算机辅助设计、计算机防真和优化设计、微机控制等工作，也日益取得显著成果[1]。
1.1.2液压传动技术的特点
液压传动技术与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：
（1）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置；
（2）重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；（3）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：
1）；（4）可自动实现过载保护；（5）一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；（6）很容易实现直线运动；（7）很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。
液压传动也存在着缺点：
（1）由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低，如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故；
（2）由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作；（3）液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵；（4）由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比；（5）液压传动出故障时不易找出原因；（6）使用和维修要求有较高的技术水平[2]。
1.2液压传动与控制系统的工作原理及其组成部分
1.2.1液压系统传动与控制系统的工作原理
以实现工作台往复运动的简单机床的液压传动系统为例进行分析，如图图1-1所示。
图1-1简单机床的液压传动系统
1-油箱2-滤油器3-液压泵4-节流阀5-溢流阀
6-换向阀7-手柄8-液压缸9-活塞10-工作台
液压缸8固定在床身上，活塞9连同活塞杆带动工作台10作直线往复运动。
电动机带动液压泵3旋转，液压泵3从油箱1经过滤油器2吸油，油液通过节流阀4流至换向阀6。
当手柄7处于图1-1（a）所示位置时，P与A、B、T均不通，液压缸8不通油，所以工作台停止。
若将手柄7推至图1-1（b）所示位置，这时油液从P→A→液压缸8左腔，液压缸8右腔→A→T，工作台10向左移动。
若将手柄7拉至图1-1（c）所示位置，这是油液从P→B→液压腔8右腔，液压缸8左腔→A→T，工作台10向左移动。
由此可见，由于设置了换向阀6，所以可改变压力油的通路，使液压缸不断换向实现工作台的往复运动。
工作台速度v可通过节流阀4来调节。
节流阀的作用是利用改变节流阀开口的大小，来调节通过节流阀油液的流量，以控制工作台的速度。
工作台运动时，要克服阻力、切削力和相对运动件表面的摩擦力等，这些阻力由油液泵输出油液的压力来克服，根据工作情况的不同，液压泵输出油液的压力应该能够调整。
另外，一般情况下，液压泵排出的油液往往多于液压缸所需油液，多于的油液经溢流阀5流回油箱。
图中2为网式滤油器，起滤油作用[3]。
通过对上面系统的分析可见：
（1）液压传动是以液体作为工作介质老传递动力的；
（2）液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传动是不同的。
（3）液压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的，因此液压传动和液压控制难以截然分开。
1.2.2液压传动与控制系统的组成部分
液压传动装置主要由以下四部分组成：
（1）能源装置——把机械能转换成油液液压能的装置。
最常见的形式就是液压泵，它给液压系统提供压力油；
（2）执行装置——把油液的液压能转换成机械能的装置。
它可以是作直线运动的液压缸，也可以使作旋转运动的液压马达；
（3）控制调节装置——对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。
例如上例中的节流阀、溢流阀、换向阀等。
这些元件的组合形成了不同功能的液压系统；
（4）辅助装置——上述三部分以外的其他装置，例如上例中单油箱、过滤器、油管等。
它们对保证系统正常工作也起重要作用[4]。
1.3本课题的研究内容
本论文研究的主要内容是围绕Festo液压实验平台为基础介绍了主要以TP601和TP02部分实验中液压传动与控制系统的组成和实验教学系统中的液压及电气控制元件；
根据各个机械装置工作（装配装置、管道阀门装置、铣床装置、薄板压力机、拉床）的具体工况要求设计其电气液压控制回路并设定技术参数；利用FluidSIM仿真软件对所设计的电气液压控制回路进行仿真实现并进行排障和改进，然后在电气液压实验台上搭建控制回路，进行模拟实验，得到实验结果，并通过讨论与分析给出了最终结论，完成对电气液压实验台的开发与仿真实现。
第2章液压传动与控制系统主要元件的介绍
2.1Festo液压实验平台的介绍
Festo的自动化控制技术培训装置满足各种培训及职业技能需要，基础部分培训装置提供广泛的基础技术知识；此外FestoDidactic液压实验台具有模块化结构特点，可进行除独立实验装置以外的多种组合应用。
它的资料部分提供重要的闭环和开环控制技术知识；功能部分说明自动化系统的基本功能；应用部分包含下列领域：
气动、电气气动、可编程控制器、PC自动化、液压、电气比例液压和应用技术。
在本论文中采用的是TP601和TP602电气液压控制实验部分。
2.1.2基于Festo电气液压实验平台的介绍
Festo液压控制实验平台在TP601电气液压实验装置中的应用包括：
各液压电气元件的原理及应用；电气控制单元的工作原理；元件及回路的符号表述标准；绘制电气及液压基本回路控制图。
在TP602的应用包括：
设计搭建带平衡控制的快速进给回路、带两通或三通流量阀的快速进给回路、卸压回路及进口节流调速回路、压力顺序回路的使用；以及带急停开关、缓动模式等安全保护控制的应用[4]。
2.2液压阀
1.液压元件 ：
液压阀可分为普通液压阀和特殊液压阀：
普通液压阀按其在液压系统中所起的作用，通常分为压力控制阀，流量控制阀和方向控制阀，即通常所说的三大类液压阀。
压力控制阀是控制流体压力的阀的总称，包括溢流阀、顺序阀、减压阀、压力继电器等；流量控制阀是控制流体流量的阀的总称，包括节流阀、调速阀、溢流节流阀、分流集流阀等；方向控制阀是控制流体流动方向的阀的总称，包括单向阀、各类换向阀、截止阀等。
特殊的液压阀是在普通液压阀的基础上为进一步满足某些使用要求发展而成的，主要有多路换向阀、叠加阀、插装阀、电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀等。
叠加阀是由几种阀相互叠加起来靠螺栓紧固为一个整体而组成回路的阀，这种阀的特点是集成化，省去了安装时阀和阀之间的配管，避免了管路、接头、法兰等所带来的阻力、泄漏、污染、振动和噪声等一系列使用与维修问题，并使液压系统大为紧凑和简化。
电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀，它可使液压系统中压力、流量等参数与输入的电气控制信号成比例地变化。
与普通液压阀相比，它提高了阀的控制水平；与电液伺服阀相比，虽然其性能有所降低，但是结构简单、制造成本低、抗污染能力较强，能满足多种使用场合的要求。
液压阀符号：
双液控单向阀符号
二位二通电磁阀符号
二位三通电磁阀符号
二位三通电磁球阀
二位四通电磁阀
三位五通电磁阀
三位四通电液压阀符号
三位四通比例阀
.
先导型压力控制阀
先导型比例电磁式压力控制阀
单作用电磁铁
双作用电磁铁
单作用可调电磁操作（比例电磁铁，力马达等）
液压先导加压控制
液压二级先导加压控制
气-液先导加压控制
电-液先导加压控制
先导型比例电磁式溢流减压阀符号
定比减压阀符号
定差减压阀符号
2.2.1方向控制阀
方向控制阀是通过控制液体流动的方向来操纵执行元件的运动，如液压缸的前进、后退与停止，液压马达的正反转与停止等。
单向阀
单向阀（Checkvalve）使油只能在一个方向流动，反方向则堵塞。
其构造及符号如图4-1所示。
夜控单向阀：
液控单向阀如图4-2所示，在普通单向阀的基础上多了一个控制口，当控制口空接时，该阀相当于一个普通单向阀；若控制口接压力油，则油液可双向流动。
为减少压力损失，单向阀的弹簧刚度很小，但若置于回油路作背压阀使用时，则应换成较大刚度的弹簧。
换向阀：
换向阀是利用阀芯对阀体的相对位置改变来控制油路接通、关断或改变油液流动方向。
一般以下述方法分类
换向阀结构：
在液压传动系统中广泛采用的是滑阀式换向阀,在这里主要介绍这种换向阀的几种结构。
1）手动换向阀：
手动换向阀是利用手动杠杆来改变阀芯位置实现换向的,图4-7所示为手动换向阀的图形符号。
3电磁换向阀：
利用电磁铁的通、断电而直接推动阀芯来控制油口的连通状态
2.2.2压力控制阀
它是制压力的阀的总称。
下面给大家举例：
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压缸控制，所以就会用到电磁阀。
工作原理
电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或露出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置运动。
这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
分类
直动式电磁阀：
原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
分布直动式电磁阀：
原理：
它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。
当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。
特点：
在零压差或真空、高压时亦能可*动作，但功率较大，要求必须水平安装。
先导式电磁阀：
原理：
通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。
特点：
流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。
2.2.3流量控制阀
流量控制阀是在一定压力差下，依靠改变节流口液阻的大小来控制节流口的流量，从而调节执行元件。
利用调节阀芯和阀体间的节流口面积和它所产生的局部阻力对流量进行调节，从而控制执行元件的运动速度。
流量控制阀按用途分为5种。
节流阀：
在调定节流口面积后，能使载荷压力变化不大和运动均匀性要求不高的执行元件的运动速度基本上保持稳定。
节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。
将节流阀和单向阀并联则可组合成单向节流阀。
节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀，在定量泵液压系统中，节流阀和溢流阀配合，可组成三种节流调速系统，即进油路节流调速系统、回油路节流调速系统和旁路节流调速系统。
节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。
调速阀：
调速阀是进行了压力补偿的节流阀。
它由定差减压阀和节流阀串联而成。
节流阀前、后的压力分别引到减压阀阀芯右、左两端，当负载压力增大，于是作用在减压阀芯左端的液压力增大，阀芯右移，减压口加大，压降减小，使也增大，从而使节流阀的压差保持不变；反之亦然。
这样就使调速阀的流量恒定不变。
在载荷压力变化时能保持节流阀的进出口压差为定值。
这样，在节流口面积调定以后，不论载荷压力如何变化，调速阀都能保持通过节流阀的流量不变，从而使执行元件的运动速度稳定。
分流阀：
分流集流阀也称速度同步阀，是液压阀中分流阀，集流阀，单向分流阀，单向集流阀和比例分流阀的总称.同步阀主要是应用于双缸及多缸同步控制液压系统中。
通常实现同步运动的方法很多，但其中以采用分流集流阀－同步阀的同步控制液压系统具有结构简单、成本低、制造容易、可靠性强等许多优点，因而同步阀在液压系统中得到了广泛的应用。
分流集流阀的同步是速度同步，当两油缸或多个油缸分别承受不同的负载时，分流集流阀仍能保证其同步运动。
不论载荷大小，能使同一油源的两个执行元件得到相等流量的为等量分流阀或同步阀;得到按比例分配流量的为比例分流阀。
集流阀：
作用与分流阀相反，使流入集流阀的流量按比例分配。
分流集流阀：
兼具分流阀和集流阀两种功能。
分流集流阀也称：
同步阀，是集液压分流阀、集流阀功能于一体的独立液压器件。
是液压阀中分流阀，集流阀，单向分流阀，单向集流阀和比例分流阀的总称.同步阀主要是应用于双缸及多缸同步控制液压系统中。
通常实现同步运动的方法很多，但其中以采用分流集流阀－同步阀的同步控制液压系统具有结构简单、成本低、制造容易、可靠性强等许多优点，因而同步阀在液压系统中得到了广泛的应用作用与分流阀相反，使流入集流阀的流量按比例分配。
2.3传感器
传感器的种类
传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。
按被测物理量划分的传感器，常见的有：
温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。
按工作原理可划分为：
1．电学式传感器
电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。
电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。
电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。
电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。
电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。
主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。
电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。
主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。
磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。
主要用于流量、转速和位移等参数的测量。
电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。
主要用于位移及厚度等参数的测量。
2．磁学式传感器
磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。
3．光电式传感器
光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。
它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。
4．电势型传感器
电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。
5．电荷传感器
电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。
6．半导体传感器
半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。
7．谐振式传感器
谐
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